Meer dan het oog kan zien: het exotische hoge energie-heelal Understand article

Vertaald door Dave Lommen. Leer in dit derde artikel over sterrenkunde en het elektromagnetisch spectrum over de exotische en krachtige kosmische fenomenen die astronomen onderzoeken met röntgen- en gammatelescopen zoals XMM-Newton en INTEGRAL van de Eurepese Ruimtevaartorganisatie.

Figuur met dank aan ESA /
AOES Medialab

Toen het ruimtevaarttijdperk in de jaren 1960 een hoge vlucht nam, begon ook het tijdperk van de hoge energie-sterrenkunde. Voor het eerst konden astronomen het heelal bekijken door röntgen- en gammaogen. Elektromagnetische (EM) straling wordt bij deze golflengten uitgezonden door kosmische bronnen met extreme eigenschappen zoals ontzettend hoge temperaturen, buitengewoon hoge dichtheden of opvallende sterke magnetische velden. Sterrenwachten op de aarde konden deze straling, met golflengten die te kort zijn om door de aardatmosfeer te dringen (figuur 1), niet opvangen. De eerste sterrenwachten in de ruimte waren nodig om dit turbulente en altijd veranderende heelal te ontsluieren.

Binnen een halve eeuw hebben waarnemingen gemaakt bij de allerhoogste energieën onze kijk op de kosmos veranderd. Door de hemel in röntgen- en gammastralen te bekijken hebben astronomen diverse nieuwe typen astronomische bronnen ontdekt en hun kennis over vele andere objecten uitgebreid. Om het heelal in het röntgen- en gammagebied van het EM spectrum te onderzoekenw1, heeft de Europese Ruimtevaartorganisatie (European Space Agency of ESA, zie kader) twee ruimteobservatoria: twee missies: XMM-Newton (röntgenstraling) en INTEGRAL (rötgen- en gammastraling). De technieken die gebruikt worden in de röntgen- en gammasterrenkunde werden geïntroduceerd in het tweede artikel in deze serie (Mignone & Barnes, 2011b); dit artikel geeft een overzicht van wat deze missies ons geleerd hebben, van het leven van sterren tot de structuur van het heelal. Zie voor een overzicht van het EM spectrum en de rol daarvan in de sterrenkunde het eerste artikel in deze serie (Mignone & Barnes, 2011a).

Figuur 1: Het EM spectrum, met de hoge energie-gebieden die worden waargenomen met de XMM-Newton en INTEGRAL ruimteobservatoria van ESA uitgelicht. Röntgenstraling wordt uitgezonden door kosmische bronnen met temperaturen van miljoenen graden Celsius; gammastraling door bronnen met temperaturen van honderden miljoenen graden Celsius. XMM-Newton detecteert röntgenstraling met energieën van 150-1.5 x 104 eV, terwijl INTEGRAL zowel röntgenstraling met energie van 3 x 103-3.5 x 104 eV als gammastraling van 1.5 x 104-1.0 x 107 eV kan waarnemen. Klik op de figuur om te vergroten
Figuur met dank aan ESA/ AOES Medialab

Geboorte en dood van sterren ontsluieren

Sterren worden geboren als gigantische wolken van gas en stof onder de zwaartekracht ineenstorten, fragmenteren en protosterren vormen. Deze protosterren groeien later uit tot volwassen sterren wanneer kernfusie in hun centrum begint. Hoe een ster verder evolueert, hangt van zijn massa af, waarbij een zware ster en korter leven en een spectaculairder einde heeft dan een ster van lagere massa (figuur 2).

Figuur 2: De levensloop van sterren. Klik op de figuur om te vergroten
Figuur met dank aan ESA / AOES Medialab

Het zijn de eerste en laatste fases in de levenscyclus van een ster die het meest interessant zijn voor röntgen- en gamma-astronomen. Omdat sommige erg jonge sterren veel röntgenstraling uitzenden, kunnen astronomen hen ontdekken door met röntgentelescopen zoals XMM-Newton naar stervormingsgebieden te kijken (figuur 3). De zwaarste jonge sterren zenden zeer hoog-energetische straling en extreem heet gas uit, die worden waargenomen op röntgengolflengten en die de vorming van andere sterren in de omgeving beïnvloeden. Sterrenkundigen hebben met XMM-Newton bubbels van heet gas rond jonge massieve sterren gevonden in verschillende gebieden, verspreid over de hemelw2, waaronder de Orionnevel en het stervormingsgebied NGC 346. Dit onderzoek helpt ons begrip van hoe jonge massieve sterren de stervorming in hun omgeving beïnvloeden – een hot topic in de moderne astrofysica.

Figuur 5: Artistieke impressie
van een röntgendubbelster.
Met zijn intense
zwaartekrachtsveld trek het
zwarte gat rechts materie
van zijn begeleider, een
blauwe superreus, links. Het
afgestroopte materiaal
spiraleert rond het zwarte
gat en vormt een
accretieschijf die helder bij
de hoogste energieën straalt.
Twee krachtige
straalstromen van
hoogenergetische deeltjes
ontstaan in de buurt van
het zwarte gat

Figuur met dank aan ESA /
AOES Medialab
Figuur 4: Röntgenfoto van de
supernovarest SN 1006 zoals
waargenomen door XMM-
Newton. Dit object is het
overblijfsel van een
supernova die door Chinese
sterrenkundigen in 1006
n.Chr. gezien is. Linksboven
en rechtsonder zijn
schokgolven te zien, waar
deeltjes zoals elektronen
worden opgezweept tot
zeer hoge snelheden

Figuur met dank aan CEA /
DSM / DAPNIA / SAp / J.
Ballet en ESA
Figuur 3: Het stervormingsgebied
NGC 346 bevindt zich in de
Kleine Magelhaense Wolk, een
van de naburige sterrenstelsels
van de Melkweg. Deze valse
kleuren-opname combineert
waarnemingen van XMM-
Newton in het röntgenbegied
(blauw) met data in zichtbaar
(groen) en infrarood (rood)
licht van respectievelijk de
Hubble en Spitzer
ruimtetelescopen

Figuur met dank aan NASA / JPL-
Caltech / D. Gouliermis (Max
Planck Instituut voor Astronomie,
Heidelberg, Duitsland) en ESA

Aan het einde van hun leven exploderen massieve sterren als supernovae (zoals beschreven in Székely & Benedekfi, 2007), waarbij ze het omringende gas verwarmen tot extreem hoge temperaturen en deeltjes zoals elektrons versnellen tot zeer hoge snelheden. Hierdoor wordt een grote hoeveelheid röntgen- en gammastraling uitgezonden (figuur 4). Bovendien worden elementen zwaarder dan ijzer, zoals lood, nikkel en goud, gesmeed tijdens een supernova-uitbarsting (zie Rebusco et al., 2007, om meer te leren). Sommige van deze elementen zijn radioactief en vervallen uiteindelijk tot stabiele isotopen, waarbij ze gammastraling uitzenden. Astronomen hebben INTEGRAL gebruikt om de Melkweg in kaart te brengen en hebben sporen van het radioactieve isotoop aluminium-26 gevonden. Net als archeologen zijn ze in de geschiedenis van onze melkweg gedoken en hebben ze een overzicht van vroegere supernovae gemaakt. De resultaten laten zien dat supernovae gemiddeld eens per 50 jaar plaatsvindenw3 in de Melkweg.

Na een supernova-explosie blijft er van een massieve ster niets anders over dan een extreem compact en dicht object – hetzij een neutronenster of een zwart gat.

Figuur 6: Het nabije actieve
sterrenstelsel Centaurus A
(NGC 5128). Deze valse
kleuren-foto combineert
waarnemingen van XMM-
Newton in röntgenstraling
(cyaan, blauw en paars, in
volgorde van toenemende
energie) en gegevens
verzameld op langere, ver-
infrarood (geel) en
submillimeter (rood)
golflengten van ESA’s
Herschel Ruimtetelescoop.
In röntgenstraling zijn op
de voorgrond puntachtige
bronnen zichtbaar: dit zijn
röntgendubbelsterren die
tot ons eigen sterrenstelsel,
de Melkweg, behoren

Figuur met dank aan ESA /
XMM-Newton
(röntgenstraling); ESA /
Herschel / PACS / SPIRE / C.D.
Wilson, McMaster University,
Hamilton, Ontario, Canada
(ver-infrarood en
submillimeter)

Met zulk een gigantische massa samengeperst in een beperkte ruimte hebben deze resten uitzonderlijk sterke zwaartekrachtsvelden en trekken ze immens hard aan materie in de buurt, maar ze zijn vrij moeilijk te detecteren. Als het compact object echter onderdeel uitmaakt van een dubbelstersysteem (waarbij twee sterren rond een gezamenlijk massamiddelpunt draaien), dan is het mogelijk dat het massa van zijn begeleider begint op te slurpen; het accreterende materiaal wordt dan verhit tot miljoenen graden en begint röntgen- en gammastraling uit te zenden. Deze hoogenergetische straling kan gebruikt worden om de aanwezigheid van een neutronenster of zwart gat aan te tonen.

Deze systemen worden röntgendubbelsterren (figuur 5) genoemd en werden in de late jaren 1960 met röntgenwaarnemingen ontdekt. Destijds waren neutronensterren en zwarte gaten alleen nog maar theoretisch voorspeld, dus deze waarnemingen vormden het eerste bewijs van hun bestaan.

Sindsdien hebben diverse generaties van ruimtetelescopen de astronomen geholpen om meer te leren. XMM-Newton en INTEGRAL hebben vele röntgendubbelsterren waargenomen (die soms ook gammastraling uitzenden) en daarmee belangrijke details over de fysica van zwarte gaten en neutronensterren aangetoond. Gammastralen van Cygnus X-1, waargenomen met INTEGRALw4 hebben bijvoorbeeld geholpen om beter te begrijpen hoe materie door een schijf op dit zwarte gat accreteert en voor een deel in twee symmetrische straalstromen wordt weggeschoten.

Het verre heelal

Figuur 7: Waarnemingen van
de zeer verre cluster van
melkwegstelsels CL J1449+
0856 gedaan in
röntgenstraling (paarse
gloed) met XMM-Newton
zijn weergegeven over een
beeld gemaakt in het nabij-
infrarood met telescopen op
de grond. De meeste
objecten in de figuur zijn
erg zwakke en verre
sterrenstelsels. De
sterrenstelsels die tot de
cluster behoren zijn
zichtbaar als een klomp
zwakke, rode objecten. Met
een temperatuur van meer
dan 20 miljoen Kelvin
schijnt het intergalactische
gas helder in röntgenstraling

Figuur met dank aan ESA /
ESO / Subaru / R. Gobat e.a.

Astronomen nemen niet alleen de geboorte en dood van sterren in onze Melkweg en nabije sterrenstelsels bij hoge energieën waar, maar gebruiken röntgen- en gammastraling ook om het veel verdere heelal te onderzoeken – inclusief superzware zwarte gaten en clusters van melkwegstelsels.

Alle grote melkwegstelsels hebben een supermassief zwart gat in hun kern, met massa van enkele miljoenen tot enkele miljarden maal die van de zon. Sommige melkwegstelsels, die actieve sterrenstelsels worden genoemd, hebben supermassieve zwarte gaten die, anders dan degene in de kern van onze Melkweg, actief zijn. Ze verorberen materie uit hun omgeving en zenden hoogenergetische straling en krachtige straalstromen van hoogenergetische deeltjes uit (figuur 6).

ESA’s XMM-Newton en INTEGRAL zijn dus ideale gereedschappen om op actieve sterrenstelsels te jagen en om hun krachtbronnen te onderzoeken. Omdat astronomen niet alle benodigde details in de verste hoogenergetische bronnen kunnen zien, verzamelen ze ook gegevens van zo veel mogelijk nabije actieve sterrenstelsels. Door data van nabije en verre melkwegstelsels te combineren, hebben astronomen uitgevonden hoe supermassieve zwarte gaten via een schijf materie accreteren en hoe deze schijven mogelijk omgeven zijn door absorberende gaswolkenw5.

Figuur 8: Deze kaart
vergelijkt de verdeling van
‘normale’ materie,
achterhaald door het hete
gas dat XMM-Newton
waarneemt (in rood) en door
de sterren en
melkwegstelsels gezien
met de Hubble
Ruimtetelescoop (in grijs),
met de verdeling van de
onzichtbare donkere
materie (in blauw), die is
afgeleid uit het effect van
zwaartekrachtlenzen. De
kaart laat zien hoe ‘normale’
materie in het hele heelal de
structuur van een
onderliggende ‘blauwdruk’
van donkere materie volgt

Figuur met dank aan NASA /
ESA / R. Massey (California
Institute of Technology)

Op een nog grotere schaal groepen melkwegstelsels samen in clusters van soms wel tienduizenden sterrenstelsels. Deze clusters zijn de grootste structuren in het heelal die bij elkaar gehouden worden door de zwaartekracht en geven diffuze röntgenstraling af. Dit schijnsel, voor het eerst waargenomen in de jaren 1970, verraadt dat de intergalactische ruimte in een cluster een enorme hoeveelheid heet gas bevat. Samen met andere observatoria die de hemel over het hele EM spectrum waarnemen, heeft XMM-Newton honderden clusters van melkwegstelsels waargenomen (figuur 7).

Deze bevatten ook een heel ver cluster dat een van de eerste structuren is die in het heelal gevormd zijnw6, slechts 3 miljard jaar na de oerknal. Dit klinkt misschien als een erg lange tijd, maar het is minder dan een kwart van de huidige leeftijd van het heelal.

Clusters van sterrenstelsels bevinden zich in de dichtste knopen van het kosmische web, het gigantische netwerk van structuren die het heelal uitmaken dat voornamelijk bestaat uit onzichtbare donkere materiew7. Met XMM-Newton hebben astronomen materie waargenomen waar het het meest geconcentreerd is en zo de verdeling van de kosmische structuur in kaart gebracht (figuur 8).

Van de geboorte van een ster tot de structuur van het heelal – wat volgt er nog? Röntgen- en gammaobservatoria, waaronder XMM-Newton en INTEGRAL van ESA, blijven de altijd veranderende hoge energie-hemel in de gaten houden om plotse, gewelddadige uitbarstingen van röntgen- en gammastralen op te tekenen. Door de wonderen der hemel aan de astronomen te blijven ontsluieren, helpen deze bijzondere ruimtetelescopen om de mysteries van ons universum op te lossen.

 

Meer over ESA

De Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA)w8 is Europa’s toegang tot de ruimte, organiseert programma’s om meer uit te vinden over de aarde, haar directe omgeving, het zonnestelsel en het heelal, werkt samen om de bemande ruimtevaart te stimuleren, ontwikkeld satellietgebaseerde technologieën en services en bevordert de Europese industrie.

Het Directorate of Science and Robotic Exploration legt zich toe op het ruimtewetenschappelijke programma van ESA en de verkenning van het zonnestelsel met behulp van robots. In de zoektocht naar een beter begrip van het universum, sterren, planeten en het ontstaan van leven zelf turen satellieten van ESA in diepste hoeken van de kosmos en kijken ze naar de verste melkwegstelsels, bestuderen ze de zon in ongeëvenaard details en verkennen ze onze planetaire buren.

ESA is een lid van EIROforumw9, de uitgever van Science in School.

 

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

ESA

Author(s)

Claudia Mignone, Vitrociset Belgium voor ESA – Europese Ruimtevaartorganisatie, is wetenschappelijk auteur voor ESA. Ze studeerde sterrenkunde aan de Universiteit van Bologna, Italië, en promoveerde op een kosmologisch onderwerp aan de Universiteit van Heidelberg, Duitsland. Voordat ze bij ESA begon, werkte ze bij het public outreach office van de Europese Zuidelijke Sterrewacht (European Southern Observatory, ESO).

Rebecca Barnes, HE Space Operations for ESA – European Space Agency, is de education officer van het Science and Robotic Exploration Directorate van ESA. Ze studeerde natuur- en sterrenkunde aan de Universiteit van Leicester, Verenigd Koninkrijk, en werkte voorheen in de onderwijs- en ruimtecommunicatie-afdelingen van het National Space Centre van het Verenigd Koninkrijk. Neem om meer te leren over de onderwijsactiviteiten van ESA’s Robotic Exploration Directorate contact op met Rebecca via SciEdu@esa.int


Review

Dit artikel, het derde in een serie, beschrijft Europese onderzoeksactiviteiten in het veld van de hoge energie-astrofysica. Het tweede artikel in de serie beschreef de technieken die gebruikt worden door twee ESA missies, XMM-Newton (röntgen) en INTEGRAL (röntgen- en gammastraling); dit artikel beschrijft enkele van hun resultaten, inclusief inzichten in de geboorte en dood van sterren en het verder weg gelegen heelal.

Voor oudere leerlingen (16+) is het artikel ideaal voor natuurkundelessen, waar het gebruikt kan worden om astrofysica (het leven van sterren, kosmische objecten, de oerknaltheorie), optica of zelfs kwantumfysica (spectraal bereik, verband tussen golflengte en energie, EM golven), massa en zwaartekracht aan de orde te stellen. Het kan ook gebruikt worden in aardrijkskundelessen over het heelal, het zonnestelsel en kosmische objecten.

Om het ook toegankelijker te maken voor jongere leerlingen (10-15 jaar oud), zou ik voorstellen dat de docent slechts delen uit het artikel selecteert om te discussiëren.

Het artikel zou ook zeer bruikbaar kunnen zijn in lessen Nederlands of Engels, of – wanneer het eenmaal vertaald is – in lessen Duits, Frans of een andere taal. Omdat het artikel niet te technisch is, kunnen zelfs docenten die niet erg bekend zijn met natuurkunde het gebruiken.

Het artikel kan ook gebruikt worden om discussie te stimuleren, met vragen zoals:

  1. Beschrijf de Europese ruimtemissies XMM-Newton en INTEGRAL.
  2. Geef een overzicht van het elektromagnetisch spectrum (inclusief zichtbaar, infrarood en UV).
  3. Wat is de relatie tussen golflengte, energie en frequentie?
  4. Waarom gebruiken we naast observatoria op de grond ook ruimteobservatoria?
  5. Waarom zijn de bronnen die het helderst in het gammaregime stralen heter dan de bronnen die het helderst in het röntgengebied stralen?
  6. Wat zijn röntgendubbelsterren?
  7. Wat kan gebeuren met massieve sterren aan het einde van hun levens?

Gerd Vogt, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Oostenrijk




License

CC-BY-NC-ND